拖轮协助船舶操纵建模与仿真

论文摘要

随着全球经济与技术的不断发展,船舶逐渐向大型化、高速化发展,船舶的数量也日渐增加。由于港口水域发展有限,从而造成港内交通繁忙,港区发生碰撞的危险性也大大增加。为了安全起见许多港口规定,大型船舶都必须由拖轮协助才能进港。另外,在其它许多操限水域,或船舶遇到故障、天气恶劣等也都需要拖轮的协助才能保证大船的安全。随着我国海运事业的发展,拖轮在各大港口的使用也越来越频繁的。多年来,人们对拖轮协助大船的操纵一般仅停留在实践经验的层次上,理论上的研究较少,而关于其数学模型的仿真就更少了,因此研究拖轮协助大船的操纵问题具有重大现实意义。为了准确地建立拖轮协助大船的操纵数学模型,本文在前人所提出的常速域数学模型和浅水、低速、大漂角数学模型研究的基础上,考虑到船舶运动的连续性,采用了将两种数学模型相结合的方法,建立了低速域、大漂角并兼顾小漂角的船舶运动数学模型。即在建立运动数模时,小漂角(小于20°)采用贵岛模型,大漂角(大于30°)采用芳村模型,漂角在两者之间是采用两种模型内插的结果。拖轮协助船舶操纵通常是发生在港内或港口附近水域,本文为了便于定性分析,忽略了风、流作用的影响分别对船舶和拖轮之间作用力的分析,列出方程迭代求出船间作用力,然后在MATLAB程序下实现通过拖轮协助船舶运动在不同载况、不同速度、不同拖轮作用点以及拖轮协助船舶作原地旋回等工况下的运动状态进行了仿真,仿真结果与定性分析结果相符合,说明本文的计算方法是合理的,所得计算结果能为驾引人员在实际操作中提供了理论依据和参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题依据的历史背景
• 1.2 课题的研究现状
• 1.2.1 船舶运动数学模型研究现状
• 1.2.2 拖轮助操问题的研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 船舶运动数学模型的建立
• 2.1 船舶平面运动的坐标系统和运动方程
• 2.1.1 船舶平面运动的坐标系统
• 2.1.2 船舶平面运动方程的建立
• 2.1.3 船舶操纵运动方程的建立
• 2.1.4 船舶参数无量纲化
• 2.2 流体动力和力矩
• 2.2.1 船体惯性类流体动力及力矩的计算
• 2.2.2 船体粘性类流体动及力矩的求取
• 2.3 螺旋桨及主机特性计算模型
• 2.3.1 螺旋桨推力及转矩计算模型
• 2.3.2 螺旋桨处伴流系数和推力减额系数的计算
• 2.3.3 螺旋桨推力系数和转矩系数的计算
• 2.3.4 主机特性计算模型
• 2.4 舵及舵机特性计算模型
• 2.5 浅水对船舶运动数学模型的影响
• 2.5.1 对附加质量和附加惯性矩的浅水修正
• 2.5.2 对贵岛模型流体动力导数的浅水修正
• 2.5.3 对贵岛模型流体动力导数的浅水修正
• 2.5.4 对螺旋桨推力和转矩的浅水修正
• 第3章 拖轮使用概况及拖轮力的计算
• 3.1 拖轮的种类及特性
• 3.1.1 港作拖轮的种类
• 3.1.2 港作拖轮的特点
• 3.2 港作拖轮的作用及协助方式
• 3.3 所需拖船总功率和数量
• 3.3.1 所需总拖力的计算方法
• 3.3.2 所需总拖力的实际估算方法
• 3.4 拖轮力的计算
• 3.4.1 坐标系与操纵运动方程
• 3.4.2 拖轮水动力的近似估算模型
• 3.4.3 拖轮桨推力计算模型
• 3.4.4 拖轮力和力矩模型
• 3.4.5 主机控制模型
• 3.4.6 拖轮力的计算模型
• 第4章 拖轮协助船舶在各种工况下的运动仿真
• 4.1 运动方程算法的介绍
• 4.2 仿真平台的搭建
• 4.3 仿真的实现
• 4.3.1 不同载况下拖轮作用效果仿真
• 4.3.2 拖轮作用点不同效果仿真比较
• 4.3.3 大船不同初速度条件下拖轮作用效果仿真比较
• 4.3.4 拖轮作用下大船原地旋回仿真
• 4.3.5 不同大船拖轮作用效果比较
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表的论文
• 致谢
• 研究生履历